5.3
Esforços mecânicos
Dependendo do tipo de instalação e da estrutura da torre de suporte, os isoladores de linhas são sujeitos a solicitações de cargas verticais (compressão ou tração) ou cargas transversais (stress de curvatura) capazes de degradar a sua estrutura ao longo do tempo de serviço e enfraquecer as ligações de suporte entre os vários constituintes. A escolha destes equipamentos tem em conta o peso dos condutores elétricos, além de excedentes temporários que possam aumentar as forças aplicadas, os quais são admitidos segundo fatores de segurança.
As cargas solicitadas a um sistema de suporte estão dependentes da variabilidade das influên- cias meteorológicas. Em situações de vento forte, o diâmetro do condutor oferece uma frente à passagem do ar o que leva a um aumento significativo das forças aplicadas, dependente ainda do tamanho do vão em causa e da existência ou não de camadas de gelo. A formação de gelo nos con- dutores e nas abas dos isoladores conduz à diminuição da aerodinâmica do conjunto e ao aumento do stress mecânico tanto por ação do vento como do peso do gelo. Além disso, as oscilações produzidas pelo seu movimento provocam fissuras nas interfaces dos diferentes componentes do isolador, com especial ênfase no caso dos cerâmicos já que são materiais quebradiços e de baixa plasticidade. O aparecimento de micro fraturas nos isoladores de porcelana é ponto de partida para o desenvolvimento de fraturas mais acentuadas que se desenvolvem sobre efeito de variações temporais de carga mecânica e efeitos térmicos ao longo do tempo, que por fim podem levar à perda de material dielétrico. Esse desenvolvimento é acelerado no caso de o isolador apresentar um desenho com vários pontos de tensão originados no processo de fabrico.
No caso de linhas com cabos de alta temperatura, os isoladores devem ser sobredimensiona- dos para lá do peso efetivo dos condutores, visto que estes últimos perdem resistência mecânica ao transformar o alumínio rígido para um estado mais pastoso. Consequentemente, há uma solici- tação extra ao isolador com uma carga superior àquela registada quando a linha transporta baixas potências.
Em regiões desérticas quentes, a temperatura média pode facilmente ultrapassar os 40oC du- rante o dia e cair para valores inferiores a 10oC durante a noite. Esta amplitude térmica é capaz de infligir danos internos na estrutura dos isoladores devido às diferentes constantes térmicas dos vários materiais que os constituem. Mais uma vez, este efeito afeta especialmente os isoladores de linha cerâmicos devido à presença de vários constituintes metálicos.
A resistência mecânica dos isoladores compósitos está relacionada com a qualidade da vara FRP e da sua ligação aos terminais metálicos. Já os cerâmicos estão sujeitos à qualidade individual de cada isolador da cadeia, ou seja, de todas as interfaces que constituem uma unidade de isola- dor campânula e espigão. Um processo de fabrico deficiente num dos componentes pode causar facilmente a queda das linhas numa situação de maiores exigências.
Outro aspeto importante na degradação por efeitos mecânicos prende-se com o transporte, armazenamento e manuseamento dos isoladores. Uma das principais causas de falha dos isolado- res compósitos é a falta de cuidado no manuseamento do equipamento, porque produzem danos no revestimento polimérico que representam pontos de fraqueza durante o tempo de serviço. O
68 Solicitações em Serviço
Figura 5.11: Forma incorreta de içar um isolador compósito. A corda deve ser atada nos terminais metálicos por forma a não danificar as abas [42].
armazenamento incorreto pode deformar o perfil dos isoladores compósitos, de tal forma que a distribuição do campo elétrico é modificada originando intensificações de potencial ao longo da superfície. Portanto, os isoladores compósitos devem ser colocados em tubos de cartão reforçado ou em caixas de madeira até ao momento de instalação e não devem ser empilhados com qual- quer outro equipamento. Além disso, deve-se ter precauções quanto aos ataques de roedores ao material polimérico. Devem ser manuseados com grande precaução, sem arremessos, quedas ou torções e não devem ser içados ou agarrados por cordas nas abas, contrariamente ao que se verifica na Figura5.11.
Nos isoladores cerâmicos atos de negligência durante estes processo são facilmente percetíveis porque o material quebra e facilmente se deteta e substitui por unidade sã. Porém, tal como no caso dos compósitos, isoladores defeituosos em serviço diminuem a resistência tanto às solicitações elétricas como mecânicas.
Capítulo 6
Casos de Aplicação e Vantagens
Tecno-Económicas
A introdução dos isoladores compósitos no mercado tem apresentado um crescimento mais significativo durante o século XXI com tendência a substituir os isoladores convencionais num ni- cho de mercado algo específico. De facto, a creditação das suas capacidades tem-se desenvolvido ao ritmo das experiências relatadas após utilização em casos práticos, nomeadamente em linhas de alta e média tensão, bem como subestações e aparelhos de proteção. Procura-se compreender o desenvolvimento do seu estado físico e das características dielétricas após alguns anos em ser- viço, sobretudo em condições mais adversas. Apesar de se reconhecerem vantagens intrínsecas no comportamento dielétrico e mecânico dos isoladores compósitos, regista-se uma predominância dos isoladores de porcelana nos vários campos de aplicação, justificada pela previsibilidade de comportamento deste tipo de tecnologia ao longo do seu tempo médio de vida útil. A maturidade da tecnologia dos isoladores cerâmicos confere um grau de confiança elevado para vários casos de aplicação, contrariamente aos compósitos que têm evoluído em concordância com os avanços na robustez dos materiais poliméricos, modificações de desenhos e relatos de casos de aplicação. Com efeito, a adoção alargada dos isoladores não cerâmicos por parte das empresas energéticas e ferroviárias é limitada pelo desconhecimento do seu desempenho e receio de aplicação em sis- temas que exigem graus de fiabilidade elevados. Apesar de existirem casos de referência quanto ao sucesso do uso dos compósitos, assiste-se a um receio na aplicação generalizada para linhas de transmissão, visto que o processo de envelhecimento não é de todo compreendido ou não são efe- tuados estudos para avaliar o seu comportamento para as diferentes condições de operação. Não obstante, a escolha dos compósitos em função de uma análise antecipada das solicitações espe- radas quando em serviço, pode resultar em vantagens técnicas e económicas significativas, visto que este tipo de material oferece comportamentos mais satisfatórios em condições de poluição e humidade elevadas comparativamente aos cerâmicos. Portanto, deve-se efetuar uma ponderação entre as vantagens reconhecidas, quer por estudos laboratoriais quer em serviço, com os receios de envelhecimento antecipado do revestimento polimérico. Geralmente, cada companhia imple- menta os isoladores compósitos em linhas de teste e aí avaliam a sua evolução, classificando-os
70 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas
como aptos ou não para as solicitações normais registadas em determinadas geografias e modos de aplicação.
Por forma a compreender a aceitação dos compósitos por parte da indústria, entidades como a EPRI e CIGRE realizam periodicamente inquéritos onde procuram perceber as razões para a sua implementação, amplitude de uso, e possíveis dificuldades que possam ocorrer. Com isto pretendem criar bases de dados referentes às experiências técnicas onde é possível identificar as principais razões para a sua aplicação, tipo de degradações registadas e modos de aplicação. Além disso, proporciona informação útil para a indústria na escolha do tipo de material, modos de aplicação, níveis de tensão mais indicados, periocidade de manutenção por forma a maximizar o tempo de vida útil do isolador e a sua fiabilidade. Em 2002 a EPRI realizou nova recolha de experiências [42], concluindo que a taxa de falha nos isoladores compósitos é aproximadamente 1 em cada 65000 exemplares vendidos. Em 70 respostas aos inquéritos, 65 tinham experiência com os isoladores compósitos, onde se averiguou que grande parte das aplicações eram efetuadas em configurações de suspensão ou suporte, enquanto as amarrações finais eram menos frequentes devido ao risco elevado desta disposição. Os níveis de tensão mais frequentes para situações superiores a 69 kV eram 115-138 kV seguidos de 220-230 kV. Para tensões superiores, os casos registados são mais escassos, tal como aplicações em corrente contínua. Esse inquérito conclui ainda que grande parte das empresas efetuam inspeções às condições dos isoladores, sendo que as técnicas mais usuais consistem na inspeção visual durante caminhada (60% dos casos) seguida por passagem de helicóptero (45%). Apesar da primeira ser mais eficaz e precisa, a segunda é geralmente mais frequente com períodos médios de ocorrência de aproximadamente 8 meses, inferior aos 20 meses da caminhada. Conclui-se ainda que todas as companhias utilizam anel de coroa para aplicações superiores a 220 kV.
A contagem das falhas ocorridas permite calcular o tempo de serviço dos isoladores, tendo- se verificado que grande parte deles ficou comprometido durante os 2 ou 3 primeiros anos após instalação, o que é justificado por tratamento incorreto e/ou defeitos de fabrico. Todavia, neste estudo, não é feita uma relação entre o tempo de serviço e o modo de aplicação, tipo de material polimérico, ou geração dos isoladores. Refere apenas que as principais causas de falha se devem a fraturas frágeis e disrupções internas (Figura 6.1) como consequência da infiltração de água pela interligação entre os terminais metálicos e o revestimento exterior. De facto, a informação recolhida é tratada de forma discreta sem relacionar percentualmente os eventos registados, ou seja, não é feita uma análise da relação entre o número de falhas ocorridas nas várias condições (modo de aplicação, níveis de tensão, tipo de material,. . . ) com o número de isoladores em serviço nas instalações das empresas questionadas.
A atribuição dos fatores que levaram à falha dos equipamentos é um tanto ou quanto subje- tiva porque muitas vezes as companhias descartam a responsabilidade de danos na estrutura do isolador durante o processo de instalação retribuindo-as para os produtores, apesar destes últimos, após investigação da falha, apontarem para condições deficientes de aplicação. Deve-se ter em conta que parte das falhas participadas à EPRI ocorreram em isoladores de primeira e segunda geração e, portanto, não representam diretamente a qualidade e fiabilidade atual da tecnologia dos